基于量子级联激光器的可燃气体微泄漏检测装置及方法与流程

1.本发明涉及红外激光气体检测的技术领域，尤其涉及一种基于量子级联激光器的可燃气体微泄漏检测装置及方法。


背景技术：

2.可燃气体报警器广泛应用于冶金、燃气、化工、石油等行业，用于检测室内外危险场所可燃气体的泄漏情况，是保证人身安全和生产安全不可或缺的仪器。其中对射式可燃气体报警器是一种适用于大面积开放空间范围的检测仪器，在石油管道系统、大型油库、石油液化气站、采油平台等易发生可燃气体泄漏的场所有着广泛应用。
3.传统的对射式可燃气体报警器使用氙灯或近红外半导体激光器作为光源，虽然在系统成本上具有一定优势，但是普遍存在灵敏度低、检测下限高和水气等其他气体分子交叉干扰严重等问题，对气体微量泄漏和气体浓度微量变化的检测存在一定难度，难以满足安全生产的预警需求。为了及时有效地监测泄漏事故的发生，急需一种能够实时探测危险区域内可燃气体微泄漏的检测方法。
4.中红外波段覆盖气体分子的“指纹”光谱区，且分子吸收线的强度比近红外高2-3个数量级，能够实现痕量气体的高灵敏、高精准探测。量子级联激光器（quantum cascade laser，qcl）作为一种常用的中红外光源，具有调谐范围宽、线宽窄、输出功率大等优点。基于中红外qcl结合对射式红外检测技术的痕量可燃气体检测方案，具有检测灵敏度高，检测下限低，不受其他气体干扰等特点，可实现大面积开放空间内可燃气体泄漏的微量检测，弥补现有检测方法与技术上的缺陷。


技术实现要素：

5.针对传统对射式可燃气体报警器的下限高，灵敏度低，易受其他气体干扰的技术问题。本发明提出一种基于量子级联激光器的可燃气体微泄漏检测装置及方法，实现了微量可燃气体的高灵敏实时精准探测，对保证人身安全和生产安全具有重要意义。
6.为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于量子级联激光器的可燃气体微泄漏检测装置，包括发射端和接收端，发射端和接收端相对应，所述发射端包括量子级联激光器和可见光激光器，第一mcu通过第一控制电路与量子级联激光器和可见光激光器连接，量子级联激光器和可见光激光器的出光口均与光路耦合整形单元连接，所述接收端包括光电探测器及信号处理部分，光电探测器设置在光路耦合整形单元发射红外线的光路上，光电探测器通过第二控制电路与第二mcu相连接。
7.所述量子级联激光器的出射端设有准直单元，准直单元与光路耦合整形单元相匹配；所述光电探测器的前端设置有聚焦透镜，聚焦透镜设置在光路耦合整形单元和光电探测器之间的光路上。
8.所述光路耦合整形单元包括反射镜和二向色镜，反射镜与可见光激光器相对应，二向色镜与量子级联激光器和反射镜相适应。
9.所述反射镜和二向色镜上均设有镜片调节机构，可实现镜片空间位置的调节。
10.所述第一控制电路包含电流驱动电路和温度控制电路，电流驱动电路和温度控制电路均与量子级联激光器相连接。
11.所述电流驱动电路可以产生直流信号、锯齿波信号和正弦波信号，经加法器叠加后来驱动量子级联激光器发出调制信号。
12.所述第二控制电路包含信号放大电路和锁相解调电路，信号放大电路输入端与光电探测器输出端相连接，信号放大电路输出端与锁相解调电路输入端相连接，锁相解调电路输出端与第二mcu相连接。
13.所述第一mcu与第一电源相连接，第二mcu与第二电源相连接；所述第二mcu与报警显示单元相连接；所述量子级联激光器为中外红量子级联激光器；所述可见光激光器发出可见光的波段在390-770 nm；所述光电探测器为碲镉汞中红外探测器。
14.所述量子级联激光器发射的红外激光和可见光激光器发射的可见光进入光路耦合整形单元进行耦合整形，耦合成一束同轴光射出，穿过监测区域到达接收端。当监测区域内出现目标气体的泄漏时，目标气体吸收同轴光中特定波长的红外光，导致光强发生变化。光电探测器接收到发生变化的光信号，并转换成电信号传输到第二控制电路，第二控制电路对该信号进行放大、解调得到一次谐波信号和二次谐波信号，第二mcu对两个谐波信号进行拟合计算，得出目标气体的浓度，当气体浓度达到预设阈值时，产生报警。与现有技术相比，本发明的有益效果：将新兴的中红外激光技术与对射式红外气体检测技术融合起来，利用量子级联激光器连续可调谐、输出功率大、窄线宽等优点及中红外波段气体吸收线强、选择性高的特点，解决了传统对射式可燃气体检测装置检测下限高、灵敏度低、易受其他气体成分交叉干扰的缺点，且1）本发明使用量子级联激光器作为光源，其发射激光覆盖了气体分子振转能级的基频吸收区，分子吸收线强度比近红外大2-3个数量级，因此具有极低的检测下限，可以探测到可燃气体发生的微量泄漏，以便及时做出应急处理。
15.2）本发明的发光光谱功率密度很高，可以获得更高的系统信噪比，比传统的对射式可燃气体检测报警器具有更高的检测灵敏度。
16.3）本发明的光谱线宽很窄，一般在2-3mhz，且选择了目标气体的“指纹”吸收峰作为检测波长，避免了其他气体成分的交叉干扰。
17.4）本发明所用量子级联激光器的光源具有更高的功率，相比传统的对射式可燃气体检测报警器，本发明可以探测更远的距离，意味着在相同的监测范围内，安装更少数量的探测器可以达到更好的检测效果，有效降低了维护成本。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明的结构示意图。
20.图2为本发明光路耦合整形单元的结构示意图。
21.图中，1为第一电源，2为第一mcu，3为第一控制电路，4为量子级联激光器，5为准直单元，6为可见光激光器，7为光路耦合整形单元，8为目标气体，9为聚焦透镜，10为光电探测器，11为第二控制电路，12为第二mcu，13为第二电源，14为报警显示单元。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.实施例1如图1所示，一种基于量子级联激光器的可燃气体微泄漏检测装置，包括发射端和接收端，发射端和接收端相对应，所述发射端包括量子级联激光器4和可见光激光器6，量子级联激光器4用于发射红外激光，可见光激光器6用于发射可见光，可见光的波段在390-770 nm，用来指示不可见光的光路，便于设备的安装和日常维护。量子级联激光器4和可见光激光器6均由第一mcu2控制第一控制电路3驱动发光。量子级联激光器4和可见光激光器6均与光路耦合整形单元7相连接，光路耦合整形单元7设置在量子级联激光器4和可见光激光器6的出光口，用于将量子级联激光器4发出的不可见光与可见光激光器6发出的可见光耦合成共轴光束，用可见光直观地把不可见光的光路显现出来。所述接收端包括光电探测器10，光电探测器10设置在光路耦合整形单元7发射红外线的光路上，光电探测器10通过第二控制电路11与第二mcu 12相连接。第二控制电路11将来自光电探测器10的电信号进行放大解调处理，最后由第二mcu12反演出目标气体8的浓度。目标气体8是待监测区域内泄漏的可燃气体，经光路耦合整形单元7出射的激光穿过目标气体8，目标气体8对中心波长处于气体吸收峰的激光进行吸收后，激光到达接收端。
24.发射端以量子级联激光器4作为红外激光光源，可见光激光器6作为可见光光源，光路耦合整形单元7将红外激光和可见光耦合成一束共轴光，共轴光穿过监测区域到达接收端，当监测区域内发生可燃气体的泄漏时，共轴光中特定波长的红外光被目标气体8吸收，导致红外光的光强根据泄漏气体的浓度发生相应变化。固定在接收端的光电探测器10接收到这种变化的光信号，并转换成电信号传输到第二控制电路11，第二控制电路11对该信号进行放大、解调，最后由第二mcu 12进行浓度反演计算，当计算出的气体浓度达到预设阈值时，第二mcu 12控制报警显示单元14发出警报。
25.进一步地，所述量子级联激光器4为中红外量子级联激光器，中外红量子级联激光器具有波长覆盖范围宽、连续可调谐、线宽窄、输出功率大等特点，波长覆盖范围宽可以根据目标气体的特征吸收峰选择中心波长，有效避免了其他气体的交叉干扰；连续可调谐使中外红量子级联激光器适用于波长调制光谱技术，可以降低背景噪声的干扰，提高检测灵敏度；线宽窄，可以使激光器发射波长精确匹配其特征吸收线；输出功率大，可以有效提高气体检测灵敏度和检测范围。利用量子级联激光器的红外光谱进行气体检测技术具有灵敏度高、检测下限低等优点，特别是在高精度光谱检测方面具有显著优势，因此本发明可用于石油管道系统、油罐区以及大型油库、石油液化气站、采油平台等场所可燃气体的微泄漏高精准探测。
26.进一步地，量子级联激光器4和可见光激光器6均与第一控制电路3相连接，第一控制电路3与第一mcu 2相连接。第一mcu2控制第一控制电路3驱动量子级联激光器4和可见光激光器6发光。
27.进一步地，第一控制电路3包括电流驱动电路和温度控制电路，电流驱动电路和温度控制电路均与量子级联激光器4相连接，两个电路共同作用调节量子级联激光器4的发射波长。温度控制电路用于控制量子级联激光器4的工作温度，具体实施中，温度控制电路是一个闭环反馈控制，首先通过采集激光器内部热敏电阻的电压值，由steinhart-hart方程计算出实际温度，并与第一mcu2中设定的激光器工作温度进行比较；然后通过pid算法微调高精度tec控制电路的输出电压，控制激光器内部的tec制冷器进行加热或者制冷，以实现激光器工作温度的实时、精确、稳定控制。
28.进一步地，第一控制电路3中的电流驱动电路用于给量子级联激光器4提供驱动电流，具体包括直流产生电路、锯齿波产生电路和正弦波产生电路。直流产生电路可以产生高精度直流信号，用于恒流驱动量子级联激光器4。锯齿波产生电路可以产生锯齿波信号用于改变激光器的输出波长，使激光器的输出波长扫过待测气体的特征吸收峰；正弦波产生电路产生高频正弦波信号，调制量子级联激光器4的发射波长，用于谐波检测。通过加法器将锯齿波信号和正弦波信号叠加到直流信号上，利用可调谐半导体激光吸收光谱（tdlas）技术，可以有效避免背景噪声的影响，提高检测灵敏度。第一控制电路3采用一个稳压电路驱动可见光激光器6发出可见光。
29.量子级联激光器4的出射端设有准直单元5，对量子级联激光器4发出的红外光进行准直，减小光束的发散角，使其能量更集中，有利于光的传输，一是单位面积光强的增加可以提高装置的检测灵敏度，二是发散角减小，光可以传播更远的距离，增大探测范围。光路耦合整形单元7将准直后的红外激光与可见光激光器6发射的可见光进行耦合整形，将可见光和不可见光耦合成一束同轴光射出，用可见光的光路来指示不可见光的光路，把发射端和接收端之间的光路通过可见光的方式形象化显示出来，方便安装和日常的维护。
30.如图2所示，所述光路耦合整形单元7包括反射镜71和二向色镜72，反射镜71与可见光激光器6相对应，反射镜71和二向色镜72的倾斜方向一致（45
°
角），从而将可见光激光器6发射的可见光反射到二向色镜72。二向色镜72与量子级联激光器4和反射镜71相适应。反射镜71改变可见光的光路方向使其照射到二向色镜72上。二向色镜72对选定的中红外激光透过，而对可见激光反射，从而将可见光和中红外激光进行有效耦合，并水平射出。
31.优选地，反射镜71和二向色镜72均安装在镜片调节机构73上，通过镜片调节机构73调整反射镜71和二向色镜72的空间位置，优化可见光和中红外激光的耦合效果。优选地，光电探测器10的前端设置有聚焦透镜9，聚焦透镜9设置在光路耦合整形单元7和光电探测器10之间的光路上。聚焦透镜9使透过监测区域的红外激光汇聚到光电探测器10的响应面上，且光电探测器10对可见光无响应。光电探测器10将接收到的光信号转化为电信号，并传递给第二控制电路11进行信号处理。优选地，光电探测器10为碲镉汞中红外探测器。
32.进一步地，第二mcu 12通过第二控制电路11控制光电探测器10进行光电信号的转换。同时第二控制电路11包括信号放大电路和锁相解调电路，信号放大电路输入端与光电探测器10输出端相连接，信号放大电路输出端与锁相解调电路输入端相连接，锁相解调电路输出端与第二mcu 12相连接。信号放大电路对光电探测器10输出的微弱电信号进行放
大，放大后的信号传递给锁相解调电路，锁相解调电路利用正弦函数的正交性原理对接收到的信号进行解调处理，得到一次谐波信号1f和二次谐波信号２f，f为量子级联激光器4电流调制信号的正弦波频率。
33.第二mcu 12接收到第二控制电路11输出的1f信号和2f信号后，首先用1f信号对2f信号进行归一化处理，得到2f/1f值，然后将得到的2f/1f值通过第二mcu12中预置的浓度和2f/1f拟合函数转化成目标气体8的浓度。
34.第二mcu 12计算出目标气体8的浓度后，一方面输出含有气体浓度的信号给报警显示单元14，一方面与第二mcu 12中的气体浓度阈值进行比较，当气体泄漏浓度到达报警阈值时，第二mcu 12控制报警显示单元14发出警报，提醒工作人员在监测区域内出现可燃气体的泄漏。
35.第一mcu 2与第一电源1相连接，第一电源1为整个装置的发射端提供供电电压，包括第一mcu 2、第一控制电路3、量子级联激光器4和可见光激光器6。第二mcu 12与第二电源13相连接，电源13为整个装置的接收端提供供电电压，包括光电探测器10、第二控制电路11、第二mcu 12、报警显示单元14。所述第二mcu 12与报警显示单元14相连接，报警显示单元14进行声光报警。
36.实施例2一种基于量子级联激光器的可燃气体微泄漏检测方法，所述量子级联激光器4发射的红外激光和可见光激光器6发射的可见光进入光路耦合整形单元7进行耦合整形，耦合成一束同轴光射出，监测区域的目标气体8吸收同轴光中的红外光，光电探测器10接收经过目标气体的光信号并转换成电信号，传输到信号处理电路11，信号处理电路11对电信号进行放大和解调得到一次谐波信号1f和二次谐波信号2f，第二mcu 12对两个谐波信号进行拟合计算目标气体8的浓度，当得到的浓度达到预设阈值时，进行警报。
37.第二mcu 12计算目标气体8浓度的方法是：两个谐波信号分别为一次谐波信号1f和二次谐波信号2f，首先利用1f信号对2f信号进行归一化处理，得到归一化值，最后根据浓度和2f/1f的拟合函数计算出目标气体8的浓度，当测得的目标气体8浓度达到预设阈值时，第二mcu 12控制报警显示单元14发出警报。
38.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。